朱燕梅，范泯進(jìn)，沙 椿

(四川中水成勘院工程勘察有限責(zé)任公司，四川 成都 610072)

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混凝土缺陷超聲橫波三維成像法探測(cè)精度影響因素的研究

朱燕梅，范泯進(jìn)，沙 椿

(四川中水成勘院工程勘察有限責(zé)任公司，四川 成都 610072)

超聲橫波三維成像法應(yīng)用于探測(cè)水工混凝土缺陷在國(guó)內(nèi)尚處于初步階段。以MIRA超聲橫波三維成像儀為基礎(chǔ)，通過解析其探測(cè)原理，并結(jié)合試驗(yàn)研究超聲橫波波速和頻率對(duì)其探測(cè)成像深度以及對(duì)鋼筋、細(xì)小異常體識(shí)別精度的影響。結(jié)果表明，當(dāng)計(jì)算波速與實(shí)際波速相差10%以上時(shí)，對(duì)缺陷成像深度會(huì)出現(xiàn)較大偏差；而不同的探測(cè)頻率對(duì)于不同埋深和尺寸缺陷的識(shí)別能力差別較大，需現(xiàn)場(chǎng)預(yù)估和試驗(yàn)以確定合適的頻率。此外，給出了采用超聲橫波三維成像法探測(cè)缺陷時(shí)橫波波速測(cè)定、探測(cè)頻率選取的建議，為該技術(shù)的工程應(yīng)用提供參考。

超聲橫波三維成像;混凝土;缺陷;檢測(cè)

1 引 言

超聲橫波三維成像法已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外無損檢測(cè)混凝土缺陷的前沿技術(shù)。該技術(shù)以超聲橫波的反射理論為基礎(chǔ)，結(jié)合無需耦合劑的多觸點(diǎn)干式檢波器、“合成孔徑聚焦技術(shù)”(SAFT,Synthetic Aperture Focusing Technique)和三維層析成像技術(shù)，能對(duì)混凝土內(nèi)部缺陷埋深和形態(tài)特征精確成像[1,2](圖1)。當(dāng)前國(guó)內(nèi)僅少數(shù)幾家單位開展對(duì)該技術(shù)的研究工作，實(shí)際工程應(yīng)用也處在初步階段。本文通過采用先進(jìn)的MIRA超聲橫波三維成像儀(圖2)探測(cè)混凝土內(nèi)鋼筋和缺陷情況的試驗(yàn)研究，探討波速、頻率對(duì)超聲橫波三維成像檢測(cè)結(jié)果的影響，為該技術(shù)工程應(yīng)用提供參考*Low-Frequency Ultrasonic Tomographer Operation Manual[M],Evanston,GERMAN INSTRUMENTS,Inc.，2015.。

圖1 超聲橫波三維成像法檢測(cè)成果展示Fig.1 Display of the detecting results of ultrasonic S-wave 3D imaging method

圖2 MIRA超聲橫波三維成像儀與三維檢測(cè)成像展示Fig.2 Display of the detecting results of MIRA S-wave 3D imaging instrument

2 波速的影響

2.1 SAFT原理

超聲橫波三維成像法采用48道干式點(diǎn)接觸傳感器“發(fā)射-接收”信號(hào)，以“合成孔徑聚焦技術(shù)”(SAFT)作為信號(hào)的主要處理方法。在聲學(xué)射線反射模型中超聲波傳感器作為點(diǎn)相位發(fā)射信號(hào)，信號(hào)呈錐形向混凝土內(nèi)部傳播，錐形的角度取決于傳感器的直徑和焦距。當(dāng)傳感器下方混凝土內(nèi)存在缺陷時(shí)，信號(hào)將會(huì)在缺陷表面形成反射波，通過分析反射波旅行路徑和時(shí)間即可推斷出缺陷埋深。然而大孔徑的傳感器制造復(fù)雜、使用不便，故研發(fā)生產(chǎn)了使用多道小尺寸傳感器以陣列方式排布的傳感器“天線陣列”。然而“天線陣列”中傳感器排布存在偏移距，所采集的波形存在相位移動(dòng)，導(dǎo)致缺陷成像扭曲(圖3)，解決這一問題就需要采用合成孔徑聚焦技術(shù)[3-9]。

如圖4所示，如果“天線陣列”中第1個(gè)傳感器與缺陷距離為d1(mm),而與天線陣列缺陷正上方距離為L(zhǎng)1(mm)，當(dāng)天線陣列與缺陷的垂直距離為h(mm)時(shí)，三者關(guān)系為

(1)

則第n個(gè)傳感器距離dn(mm)為

(2)

超聲橫波在被測(cè)混凝土內(nèi)傳播速度為v(m/s),則每個(gè)檢波器收到信號(hào)的傳播時(shí)間tn(μs)與距離Ln(mm)關(guān)系為：

(3)

通過對(duì)不同傳感器采集的信號(hào)分別加以延時(shí)，并進(jìn)行疊加凸顯異常反射，即可重建缺陷埋深和形態(tài)，這便是SAFT的基本原理(圖5)。其中，混凝土波速v將直接影響信號(hào)合成“聚焦”位置和缺陷重建時(shí)的深度。

圖3 缺陷探測(cè)成像扭曲示意圖Fig.3 Schematic diagram of the imaging distortion of detecting defects

圖4 天線陣列缺陷探測(cè)原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of detecting defects of antenna array

圖5 信號(hào)合成孔徑聚焦處理示意圖Fig.5 The processing schematic diagram of signal synthetic aperture focusing(SAFT)

2.2 試驗(yàn)研究

通過采用MIRA(據(jù)儀器廠家解釋，“MIRA”主要定義為特定儀器名稱。儀器全稱為“ultrasonic low-fraquency tomograph A1040 MIRA”。一般均用簡(jiǎn)寫，未將“MIRA”含義展開使用。)超聲橫波三維成像儀，分別以1 600 m/s、2 000 m/s、2 200 m/s、2 400 m/s和3 000 m/s預(yù)設(shè)波速對(duì)某水電站混凝土面板厚度及鋼筋埋設(shè)情況進(jìn)行探測(cè)，其中2 400 m/s為該部位混凝土超聲橫波實(shí)際波速?；炷撩姘逶O(shè)計(jì)厚度450 mm，內(nèi)部采用雙層鋼筋設(shè)計(jì)，鋼筋埋深分別為5 cm和20 cm，鋼筋直徑為25 mm。

圖6為不同預(yù)設(shè)波速探測(cè)成像剖面圖，圖中無異常區(qū)域?yàn)樯钏{(lán)色，以黃色表示輕微異常、紅色表示強(qiáng)烈異常(如缺陷、鋼筋或面板自由界面等)。當(dāng)以小于混凝土實(shí)際波速的1 600 m/s和2 000 m/s作為預(yù)設(shè)波速進(jìn)行探測(cè)時(shí)，剖面成像圖中鋼筋和界面反射極不明顯，難以識(shí)別出有效信息。

當(dāng)以2 200 m/s預(yù)設(shè)波速進(jìn)行探測(cè)時(shí)(圖7)，在50 mm深度位置出現(xiàn)輕微鋼筋反應(yīng)；在埋深200 mm處圖像右側(cè)鋼筋以明顯紅色圓形強(qiáng)反應(yīng)出現(xiàn)，但中部和左側(cè)兩處反應(yīng)均十分微弱；而在370 mm深度時(shí)，再次出現(xiàn)輕微圓形狀異常，從該異常形態(tài)難以確定其為鋼筋或是面板底部臨空面。當(dāng)以該部位混凝土橫波實(shí)際傳播速度2 400 m/s進(jìn)行探測(cè)時(shí)，可以從剖面成像圖中清晰識(shí)別出深度50 mm處圓形狀鋼筋，以及在深度250 mm處圖像右側(cè)間距約為100 mm的兩處鋼筋；此外，在深度450 mm處，剖面圖像中出現(xiàn)條狀較強(qiáng)烈異常反應(yīng)，通過參照設(shè)計(jì)面板厚度可以確定該處即為面板底部反應(yīng)。

在以3 000 m/s預(yù)設(shè)波速進(jìn)行探測(cè)時(shí)(圖7)，剖面圖像中在深度300 mm和540 mm處出現(xiàn)強(qiáng)烈異常反應(yīng)。然而由于預(yù)設(shè)波速較大，上面兩處深度強(qiáng)異常所分別代表的鋼筋和面板底部位置均較實(shí)際大幅增加。此外，混凝土內(nèi)埋設(shè)50mm處的鋼筋在圖像中已無法準(zhǔn)確“聚焦”顯示。

圖6 超聲橫波預(yù)設(shè)波速探測(cè)成像Fig.6 The imaging pictures of ultrasonic shear wave to presuppose the wave velocity detection

圖7 超聲橫波預(yù)設(shè)波速探測(cè)成像圖Fig.7 The imaging pictures of ultrasonic shear wave to presuppose the wave velocity detection

因此，在混凝土超聲橫波三維成像檢測(cè)中，當(dāng)設(shè)定波速低于或超過實(shí)際波速10%后將嚴(yán)重影響成像準(zhǔn)確度。在實(shí)際工程檢測(cè)時(shí)可在檢測(cè)部位臨近的完整混凝土區(qū)域進(jìn)行多次波速值測(cè)定，并采用其平均值；此外，雖然超聲橫波三維成像儀采用的干式點(diǎn)接觸傳感器無需耦合劑即可與測(cè)試混凝土表明接觸良好，但在波速測(cè)定和缺陷探測(cè)時(shí)應(yīng)去除混凝土表面附著物(如塵土、膠質(zhì)保護(hù)層以及混凝土析出物等松散層)，以免對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。

3 頻率的影響

3.1 超聲橫波的衰減

超聲橫波在混凝土內(nèi)部傳播過程中因散射和黏滯作用影響，其強(qiáng)度會(huì)存在不同程度的衰減；一般而言混凝土內(nèi)部骨料越不均勻、傳播距離越大，這種衰減越明顯。超聲橫波檢測(cè)主要基于聲波反射法理論，需要通過獲取反射波信號(hào)來確定缺陷狀態(tài)，如果超聲橫波在混凝土中衰減過大、過快，就難以到達(dá)缺陷位置并通過反射帶回有效信息。

超聲橫波在混凝土內(nèi)衰減情況可簡(jiǎn)單表示為

N=N0e-Q L

(4)

其中，Q為混凝土衰減系數(shù)(dB/mm)；L為超聲橫波傳播路徑長(zhǎng)度(mm)；N為超聲橫波在混凝土內(nèi)經(jīng)傳播路徑L后的強(qiáng)度(dB)；N0為超聲橫波發(fā)射初始強(qiáng)度(dB)。

而衰減系數(shù)Q與入射超聲橫波頻率直接相關(guān)，其關(guān)系為

Q=b·f

(5)

其中，b為相關(guān)系數(shù)，單位：dB/(Hz·mm)，f為入射超聲波頻率(Hz)。

上式表明，當(dāng)檢測(cè)同種混凝土?xí)r，入射超聲橫波頻率越大，其在混凝土傳播衰減越明顯，穿透能力越低；而頻率越低時(shí)，超聲橫波傳播衰減越小，穿透能力越強(qiáng)。

此外大量研究表明，不同頻率的超聲波對(duì)不同尺寸的缺陷探測(cè)精度存在較大差異。采用超聲波頻率越高，能探測(cè)的缺陷尺寸越??；而頻率越低時(shí)，對(duì)小尺寸缺陷探測(cè)能力越低。當(dāng)采用超聲波頻率與缺陷尺寸滿足下式時(shí)探測(cè)反應(yīng)越明顯，即

(6)

其中，S為鋼筋或缺陷尺寸(m)；f為入射超聲波頻率(Hz)；v為超聲波波速(m/s)；

3.2 試驗(yàn)研究

MIRA超聲橫波三維成像儀“天線陣列”中采用48道可調(diào)制頻率范圍為25～80 kHz的點(diǎn)式壓電傳感器。通過采用不同頻率的超聲橫波對(duì)某水電站大壩混凝土內(nèi)埋設(shè)鋼筋進(jìn)行探測(cè)，分析其對(duì)成像結(jié)果的影響。其中，混凝土內(nèi)埋設(shè)鋼筋直徑為25 mm，深度200 mm，排布間距100 mm。

1)在圖8中當(dāng)探測(cè)頻率為25 kHz和30 kHz時(shí)，在剖面成像圖中于埋深200 mm位置存在4處清晰的“圓形狀”鋼筋反應(yīng)，并顯示其間距約為50～100 mm。但在兩幅成像圖中，第三根鋼筋圖像形態(tài)呈現(xiàn)“扁圓”狀，寬度約是其余3根的兩倍。

圖8 25～40 kHz頻率超聲橫波探測(cè)剖面成像Fig.8 The sectional imaging pictures of ultrasonic shear wave detecion on frequency 25～40 kHz

在采用頻率為35 kHz、40 kHz探測(cè)時(shí)，剖面成像圖中兩種頻率均能準(zhǔn)確探測(cè)鋼筋深度，但鋼筋“圓形”尺寸均較之前兩幅成像圖?。惶貏e是第3根鋼筋，其形態(tài)已從“扁圓”過渡到“圓形帶拖尾”狀。此外，于鋼筋層上方出現(xiàn)明顯細(xì)小尺寸異常，表明系統(tǒng)“聚焦”異常尺寸隨頻率增大而變小。

2)在圖9中，當(dāng)探測(cè)頻率為45 kHz、50 kHz時(shí)的剖面成像圖顯示鋼筋顯示尺寸更小，鋼筋間距更加分明，并且在圖8中寬度較大的第3根鋼筋，也已與其余鋼筋寬度基本一致，特別在45 kHz成像圖中明顯分離成為兩處強(qiáng)反應(yīng)。從中可以得出，當(dāng)探測(cè)采用的超聲橫波頻率較小時(shí)，小于其識(shí)別尺寸精度的異常無法準(zhǔn)確區(qū)分。隨著檢測(cè)頻率提高到55 kHz、60 kHz，成像圖中鋼筋圖像開始扭曲，鋼筋層上、下方的小尺寸異常逐漸增多、增強(qiáng)。表明系統(tǒng)對(duì)小尺寸異常的“聚焦”能力在增強(qiáng)，而對(duì)直徑為25 mm的鋼筋的“聚焦”能力卻在減弱。

3)隨著探測(cè)頻率提高到65～80kHz，超聲波衰減逐漸增大，圖10中所示鋼筋圖形也愈加扭曲。當(dāng)采用70 kHz時(shí)，剖面成像圖已基本不能準(zhǔn)確識(shí)別出4根鋼筋形狀和其排布間距；在80 kHz頻率時(shí)，成像圖中200 mm埋深處的鋼筋反應(yīng)已十分微弱。此外，在頻率從65 kHz逐漸提高80 kHz時(shí)，鋼筋層上方的小尺寸異常強(qiáng)度并未繼續(xù)增強(qiáng)，而呈減弱態(tài)勢(shì)。說明隨著探測(cè)頻率增大，雖然對(duì)小尺寸異常的識(shí)別能力在增強(qiáng)，但由于混凝土對(duì)超聲波的衰減劇增，反而會(huì)導(dǎo)致小尺寸異常的反應(yīng)減弱。

因此在采用超聲橫波三維成像對(duì)混凝土內(nèi)部鋼筋或缺陷探測(cè)時(shí)，有必要對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)和探測(cè)目標(biāo)的可能埋深、尺寸進(jìn)行預(yù)估，并選定合適頻率的超聲橫波進(jìn)行探測(cè)；此外，可采用不同頻率進(jìn)行多次探測(cè)以識(shí)別不同尺寸、不同埋深的異常目標(biāo)。

圖9 45～60 kHz頻率超聲橫波探測(cè)剖面成像Fig.9 The sectional imaging pictures of ultrasonic shear wave detecion on frequency 45～60 kHz

圖10 65～80 kHz頻率超聲橫波探測(cè)剖面成像Fig.10 The sectional imaging pictures of ultrasonic shear wave detecion on frequency 65～80 kHz

4 結(jié) 語

超聲橫波三維成像法是一種新型的混凝土內(nèi)部缺陷無損檢測(cè)技術(shù)，其不受電磁屏蔽影響、抗干擾性強(qiáng)，探測(cè)結(jié)果直觀、形象。在工程應(yīng)用中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)異常體的尺寸和形態(tài)準(zhǔn)確成像，應(yīng)重視預(yù)設(shè)波速和探測(cè)頻率的影響。當(dāng)計(jì)算波速小于或大于實(shí)際波速10%時(shí)，不僅可能導(dǎo)致對(duì)缺陷無法“聚焦”，對(duì)缺陷的成像深度也會(huì)出現(xiàn)較大偏差；實(shí)際工作時(shí)應(yīng)在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)混凝土橫波速度多次測(cè)試，并采用其平均值。此外，不同的探測(cè)頻率對(duì)于不同埋深和尺寸缺陷的識(shí)別能力差別較大，現(xiàn)場(chǎng)工作前應(yīng)通過預(yù)估和試驗(yàn)的方式確定合適的探測(cè)頻率。

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The Study on Accuracy Effects of Ultrasonic S-wave 3D Imaging Method to Detect Defects of Concrete

Zhu Yanmei，F(xiàn)an Minjin，Sha Chun

(SichuanHydropowerEngineeringInvestigationCo.,Ltd.,ChengduSichuan610072,China)

The application of ultrasonic S-wave 3D imaging method to detect the defects of hydraulic concrete is still in the primary stage in China. This paper,based on the MIRA S-wave 3D imaging instrument,through the analysis of the detection principle,combined with the experimental study on the velocity and frequency of ultrasonic wave detects,its imaging depth and its effect of identification occuracy on steelsand tiny abnormity body. The results show that the depth of defect imaging will appear larger deviation,when the difference between calculative wave velocity and the actual is up to 10% or more. We need to estimate and test on the spot to determine the appropriate frequency for the difference of detection frequencies has larger difference in recognition capacity between different embedding depth and defect size. In addition,this paper gives some suggestions on adopting S-wave 3D imaging method to detect the measure of shear wave velocity when defects exist and how to choose the frequency which provides reference for the technology of engineering application.

ultrasonic S-wave 3D imaging; concrete; defect; detection

1672—7940(2016)06—0739—07

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.06.009

朱燕梅(1980-)，女，工程師，主要從事水電水利工程物探勘測(cè)及檢測(cè)方法技術(shù)研究與應(yīng)用工作。E-mail: 550581819@qq.com

P631.5

A

2016-03-21